專利名稱：單圈絕對式角度編碼器的通用編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種角度編碼器的編碼方法，特別涉及單圈絕對式角度編碼器的通用編碼方法。
背景技術(shù)：
角度編碼器作為一種采用光電技術(shù)進行非接觸角度計量和測量的儀器儀表，在位置計量和測繪儀器領(lǐng)域具有不可替代的作用。
傳統(tǒng)的編碼器分為增量式編碼器和絕對式編碼器。雖然增量式編碼器的測量精度可以做得很高；但使用過程中必須多增加一路接收信號，以判別編碼器的旋轉(zhuǎn)方向；另外，如果想得到參考線絕對位置的測量值，則編碼器啟動后，必須經(jīng)過引導(dǎo)過程后方可進行測量，而且該引導(dǎo)過程只能發(fā)生在絕對零位附近，因此，使用時極不方便。同時，要提高增量式編碼器的角度測量精度，必須增加刻線的數(shù)量，這給編碼器的小型化帶來困難。
傳統(tǒng)的絕對式編碼器由一系列同心的黑白相間的編碼碼道組成，參考線的編碼位于沿半徑方向的不同編碼碼道上。要提高編碼器的分辨率，所受限制較多。在碼盤尺寸足夠大的情況下，雖然可以通過增加碼道的數(shù)量使精度和分辨率達(dá)到很高水平，但碼盤尺寸過大又限制了編碼器的使用范圍；同時測量信號的接受器件也要增多，對整個編碼器的光學(xué)和機械裝調(diào)精度也提出了較高要求，而每個光電器件的輸出都要配置相應(yīng)的后置處理電路，系統(tǒng)電路會變得非常復(fù)雜，不利于提高檢測設(shè)備的可靠性。如果編碼器尺寸受限，要保證其精度就只有減小碼道的寬度，而同時保證碼道刻劃的均勻性難度很大，但其均勻性又直接影響著編碼器的分辨率；相應(yīng)地，透過光學(xué)狹縫的光強也會減少，這樣一來對光電變換用的讀出器件性能要求很高，無疑會增加系統(tǒng)的成本。顯然，碼盤尺寸和分辨率對傳統(tǒng)絕對編碼器來說，是一對不可調(diào)和的矛盾，越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代儀器儀表對于編碼器輕便性、小型化、高可靠性的要求。
為克服傳統(tǒng)絕對式編碼器碼道數(shù)過多和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，中科院成都光電技術(shù)研究所(單圈絕對式編碼器的研制，《光學(xué)精密工程》，2002年第1期)研制了一種單圈絕對式編碼器。其基本原理為采用相間的黑白條紋在光柵碼盤上進行編碼，用寬窄不同的三種白條紋分別表示“區(qū)標(biāo)記”、“1標(biāo)記”和“0標(biāo)記”，從而將整個光柵碼盤分成128等分。然后用固體圖像傳感器SSPA進行光學(xué)圖像采樣，得到碼盤上黑白條紋圖像信號的空間光強分布信息，再把視頻模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過計算機接口送給計算機進行角度計算，進一步使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對每個像素的空間光強分布信息進行亞像素細(xì)分，實現(xiàn)每個分區(qū)的中心位置精確定位。雖然該系統(tǒng)最終實現(xiàn)的靜態(tài)重復(fù)性精度可以達(dá)到3″，分辨率達(dá)到4″，但編碼器的精度僅僅達(dá)到52.6″，這樣的低精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足用戶的需求。
隨后，中科院西安光學(xué)精密機械研究所(一種新型光學(xué)編碼器，《光學(xué)精密工程》，2003年第1期)研制了一種準(zhǔn)絕對式編碼器。該編碼器由循環(huán)碼道和條型碼道組成的，循環(huán)碼道仍然由一系列均勻交錯的遮光和透光的等寬度的光柵線條組成；條型碼道則由與每一對透光/遮光不等寬度的條碼組成，它們共同構(gòu)成對某一位置的編碼，即位置編碼的各有效位是沿圓周(切向)連續(xù)地分布于同一個條型碼道內(nèi)的。根據(jù)準(zhǔn)絕對式編碼器的特點，位置編碼的各有效位沿圓周連續(xù)分布，減少了位置編碼的碼道數(shù)量，因此，碼盤體積得以有效縮??；但位置編碼有效位沿切向分布，又使得編碼器上電后，不能立刻獲得位置的編碼，而要經(jīng)過一個引導(dǎo)過程，即經(jīng)過一個非常小的位移(不必要在零位附近)后才能獲得位置編碼數(shù)據(jù)。
本人曾于2003年8月14日發(fā)明了一種“用于距離(高程)和角度測量的絕對編碼和解碼法”(發(fā)明專利申請?zhí)?3153286.1)，雖然該編碼法可以應(yīng)用到角度編碼器中并解決國外已有編碼方法中存在的缺陷黑碼數(shù)目過多；黑碼分布不均、黑碼所載信息單一。但該編碼方法要求黑條碼按周期函數(shù)分布，這樣會出現(xiàn)條碼種類過多的缺陷。對于條碼數(shù)目為N的角度編碼器而言，條碼種類愈多，必然導(dǎo)致條碼間的差異愈小，這給條碼的識別增加了難度，給角度編碼器的小型化帶來困難，將會增加制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
為進一步克服現(xiàn)有方法中碼道數(shù)過多、編碼器精度過低、需要經(jīng)過一個引導(dǎo)或過零位過程才能獲得參考線的位置及條碼種類過多等缺陷，本發(fā)明提供一種通用編碼方法，是一種比現(xiàn)有編碼方法更能有效地進一步減少條碼種類、提高編碼器精度、不需要任何引導(dǎo)或過零過程的更簡單的通用編碼方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是通過對刻劃在一個碼道上的N個條碼進行有序排列，達(dá)到碼區(qū)內(nèi)的條碼個數(shù)m和條碼種類k的最佳匹配。利用CCD傳感器獲取一個碼區(qū)內(nèi)的m個條碼，依據(jù)這m個條碼之間的相互關(guān)系及CCD傳感器像素所對應(yīng)的角度值之間的關(guān)系，精確確定參考線的位置。
本發(fā)明的有益效果是用本發(fā)明所提供的單圈絕對式角度編碼器的通用編碼方法，能有效地進一步減少條碼的種類、提高編碼器的精度、不需要任何引導(dǎo)或過零過程，使角度編碼器更小、成本更低、使用和制造更方便。


圖1是本發(fā)明的編碼示意圖。
圖1中1.條碼的黑色部分，2.條碼的白色部分，3.完整條碼，4.待編碼區(qū)域。
圖2是本發(fā)明設(shè)計的角度編碼器示意圖。
圖2中5.光源，6.反射鏡，7.碼盤，8.CCD傳感器。
具體實施例方式
1.幾個術(shù)語的定義條碼由黑色部分和白色部分組成。一個完整的條碼為起始邊界由白→黑；結(jié)束邊界由白→黑，代表的角度值為D。
物像比一個條碼代表的角度D，經(jīng)過傳輸后在CCD傳感器上獲得的像素個數(shù)為g，則物像比為
d=Dg---(1)]]>碼區(qū)由m個順序條碼組成的一組用于標(biāo)識參考線粗值的條碼組。
條碼種類改變條碼黑/白間的比例關(guān)系，構(gòu)成易于相互區(qū)分的不同條碼。本發(fā)明共設(shè)計k種條碼。
2.編碼方案設(shè)在碼盤上共刻劃N個條碼f1，f2，…，fN，這N個條碼由k種不同條碼組合而成。在這N個條碼中，順序選出m個條碼組成一個碼區(qū)，共可以組成N個獨立碼區(qū)如表1所示。
表1 通過調(diào)整條碼間的順序，使獲得的N個碼區(qū)互不相同。該計算過程由計算機完成。由計算機存儲這N個碼區(qū)條碼的順序和第1個條碼起始邊界所對應(yīng)的角度值，供確定參考線的粗值使用。
條碼種類k、碼道上條碼個數(shù)N和碼區(qū)內(nèi)條碼的個數(shù)m之間關(guān)系必須滿足km＞＝N (2)3.參考線位置的計算方法跟據(jù)CCD傳感器上條碼的順序在存儲器中尋找與該條碼順序一致的碼區(qū)，得到該碼區(qū)第1個條碼的起始邊界所對應(yīng)的粗讀數(shù)T1。對于精讀數(shù)，按下述方法得到假定該碼區(qū)第一個條碼的起始邊界在CCD傳感器上所對應(yīng)的讀數(shù)為p1，則第一個條碼的起始邊界至參考線(p＝0.0)的讀數(shù)為x1＝p1·d+T1(3)同理假定第i個條碼在CCD傳感器上所對應(yīng)的讀數(shù)為pi，則第i個條碼的起始邊界至參考線(p＝0.0)的讀數(shù)為xi＝pi·d+Ti(4)依(4)式得到碼區(qū)內(nèi)m個條碼的起始邊界至參考線的讀數(shù)，取其平均值即為參考線的測量結(jié)果X=1mΣi=1mxi---(5)]]>4.編碼器的測量精度估計這里暫不考慮條碼的刻線誤差。由于在360°的碼道上刻劃了N個條碼亦有N個碼區(qū)，每個碼區(qū)內(nèi)共有m個條碼用于確定參考線的位置，則每個碼區(qū)對應(yīng)的角度值為 假定一個碼區(qū)在CCD傳感器上所對應(yīng)的像素為Q，則每個像素所對應(yīng)的角度值為 現(xiàn)有技術(shù)可以很容易實現(xiàn)亞像素(0.1倍像素)細(xì)分，則一個亞像素所對應(yīng)的角度值為 τ代表編碼器的理論鑒別率。由于每次測量是由m個條碼取平均值得到的，則編碼器的理論精度(標(biāo)準(zhǔn)差)為δ0=τm=m·36·3600′′N·Q---(7)]]>由(6)、(7)兩式可以看出要提高編碼器的鑒別率和精度，必須減少碼區(qū)內(nèi)條碼的個數(shù)m；增加編碼器碼道上條碼的數(shù)量N；增加CCD傳感器像素的數(shù)量Q。但碼區(qū)內(nèi)條碼個數(shù)m的減少，必然導(dǎo)致條碼種類k的增加，使得不同種類條碼間差異的變小，增加條碼的識別難度；編碼器碼道上條碼的刻劃數(shù)量N的增加，將增加刻線難度；而CCD傳感器像素的增加，將加大編碼器的制造成本。因此，依據(jù)編碼器的精度要求，正確選擇m，k和N間的匹配關(guān)系。表2列出了當(dāng)選用2048線的CCD傳感器且一個碼區(qū)所對應(yīng)的像素Q＝1800時，條碼種類、碼區(qū)內(nèi)條碼個數(shù)、編碼器碼道上條碼總數(shù)、鑒別率和精度之間的對應(yīng)關(guān)系。
表2

5.設(shè)計實例表3、表4和表5分別為表2中不同條碼種類(k＝20，k＝8，k＝5)和不同碼區(qū)內(nèi)條碼個數(shù)(m＝2，m＝3，m＝4)所對應(yīng)的條碼順序表，其中的數(shù)字代碼(0～19)分別表示條碼“黑/白”間的不同比例關(guān)系，設(shè)計者可根據(jù)需要自由該比例關(guān)系。對于其它不同條碼種類k和不同碼區(qū)內(nèi)條碼個數(shù)m所對應(yīng)的條碼順序表可以依據(jù)該原理推出。各碼區(qū)的數(shù)據(jù)可依據(jù)表1所列關(guān)系導(dǎo)出，為節(jié)省說明書的篇幅，這里不再羅列。
碼道上400條碼順序表(k＝20，m＝2) 表3

碼道上400條碼順序表(k＝20，m＝2) 續(xù)表3

碼道上400條碼順序表(k＝8，m＝3) 表4

碼道上400條碼順序表(k＝8，m＝3) 續(xù)表4

碼道上400條碼順序表(k＝5，m＝4) 表5

碼道上400條碼順序表(k＝5，m＝4) 續(xù)表5

權(quán)利要求
1.一種單圈絕對式角度編碼器的通用編碼方法，其特征在于每個條碼由“黑+白”組成，變換黑/白間的比例關(guān)系，共組成k(k≥2)種不同條碼；將這k種條碼進行排列，組成N個條碼；然后將這N個條碼均勻刻劃到碼盤的一個碼道上。
2.如權(quán)利要求1所述的單圈絕對式角度編碼器的通用編碼方法，其特征是將碼道上的N個條碼順序劃分成N個獨立碼區(qū)，每個碼區(qū)由m(m≥2)個條碼組成，相鄰碼區(qū)有(m-1)個條碼順序相同和一個條碼順序相異；不同碼區(qū)由這m個條碼間的不同順序進行區(qū)分。
3.如權(quán)利要求1所述的單圈絕對式角度編碼器的通用編碼方法，其特征是CCD傳感器采集一個碼區(qū)或大于一個碼區(qū)內(nèi)所有條碼的圖像，依據(jù)設(shè)計時每個碼區(qū)第一個條碼起始邊界所對應(yīng)的粗值及這m個或大于m個條碼在CCD傳感器上所對應(yīng)的圖像、通過對該圖像進行亞像素細(xì)分后，計算出參考線對應(yīng)的角度值。
全文摘要
一種用于單圈絕對式角度編碼器的通用編碼方法，該編碼方法通過對刻劃在一個碼道上的N個條碼進行有序排列，構(gòu)成N個碼區(qū)，依據(jù)碼區(qū)個數(shù)N、編碼器的設(shè)計精度、CCD傳感器的類型等設(shè)計參數(shù)選擇每個碼區(qū)內(nèi)條碼的個數(shù)m(m≥2)和條碼的種類k(k≥2)，達(dá)到N、m、k等參數(shù)間的最佳匹配。利用CCD傳感器獲取碼道上的m個或多于m個條碼，依據(jù)獲取的條碼之間的相互關(guān)系及CCD傳感器像素所對應(yīng)的角度值，精確確定參考線的位置。該編碼方法克服了現(xiàn)有絕對式角度編碼器中碼道數(shù)過多、編碼器精度過低、需要經(jīng)過一個引導(dǎo)或過零位過程才能獲得參考線的絕對位置及條碼種類過多等缺陷，能有效地進一步減少條碼的種類、提高編碼器的精度、不需要任何引導(dǎo)或過零過程，使角度編碼器更小、成本更低、使用和制造更方便。
文檔編號G01D5/26GK1493853SQ200310100209
公開日2004年5月5日 申請日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者楊俊志 申請人:楊俊志